Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) Лекция 2

Обозначение критических точек стали

2
Критические точки А1 лежат на линии PSK (727°C) и соответствует превращению аустенит → перлит.
Критические точки А2 находятся на линии МО (768°C).
Критические точки А3 лежат на линии GS, а критические точки Аcm — на линии SE. Верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях.
Вследствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении используют дополнительные индексы: буквы «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения. Например, АС1, АС3, Аr1, Аr3.
Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с в первом случае и r — во втором.

аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе Feγ(С);
мартенсит (М) — твердый раствор углерода в α-железе Feα (С);
перлит (П)—эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Feα+Fe3C (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).
При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.
I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки Ас1Feα + Fe3C → Feγ(C) или П →А.
II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже Аr.
Feγ(С) → Feα + Fe3C или А →П.
Ш. Превращение аустенита в мартенсит:
Feγ (С) →Feмα (С) или А → М.
IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее в феррито-карбидную смесь:
Feα (С) → Feα+ Fe3C или М → П.
Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита.
Превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит.

Механизм основных превращений
1. Превращение перлита в аустетит (механизм аустенитизации
Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит эвтектоидной стали: а', а''— точки начала превращения со скоростями v1, v2; b', b'' — точки конца превращения со cкороcтями v1, v2 (v1 >v1)

Схема изменения размера зерна в зависимости от температуры нагрева стали:
а) наследственно мелкозернистые стали;
б) наследственно крупнозернистые стали

Эталонная шкала баллов для оценки размера зерна стали

Перлитное превращение
Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита — твердого раствора углерода в железе, на почти чистое α-железо и цементит:
Feγ(C) → Feα + Fe3C.
При температуре равновесия А1 превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны.
Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

Схема феррито-цементитных структур:
а) перлит; б) сорбит; в) троостит
При температуре 600–650°С образуется сорбит, а при 550–600°С — троостит.
Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы — механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью. Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

Схемы диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита:
а) доэвтектоидная сталь; б) эвтектоидная сталь; в) заэвтектоидная сталь

Промежуточное превращение
При температуре ниже 550oС самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью.
Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.
Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).
Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.
При температуре 5500С: Δ0 = 0,12·10-3 мм – верхний бейнит.
Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении (δ) и ударной вязкости (aн).
При температуре 300oС: Δ0 = 0,08·10-3 мм– нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Диаграмма изотермического распада аустенита в доэвтектоидной стали (схема): А-устойчивый аустенит; Ап- - переохлажденный аустенит; Ф—феррит; К-карбид

Видманштеттов феррит образуется в интервале от А3 минус 50° С до 600—550°С. С увеличением содержания углерода в стали доля видманштеттова феррита в структуре уменьшается.
Влияние легирующих элементов на перлитное превращение
Легирующие элементы оказывают чрезвычайно важное для практики влияние на кинетику распада аустенита. За исключением кобальта, все широко используемые легирующие элементы, растворенные в аустените (Сr, Ni, Мn, W, Мо, V и др.), замедляют перлитное превращение, сдвигая верхнюю часть С-кривой вправо.
Легирующие элементы могут замедлять перлитное превращение по следующим причинам:
1) из-за образования специальных карбидов и необходимости диффузионного перераспределения в аустените легирующих элементов, атомы которых несравненно менее подвижны, чем атомы углерода;
2) из-за замедления диффузии углерода;
3) из-за уменьшения скорости полиморфного превращения.

Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлаждения

Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита:
а) эвтектоидная сталь; б) доэвтектоидная легированная сталь, содержащая 0,39 % С, 1 % Cr, 0,15 % Мо. Тонкие линии на рис. а соответствуют диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита

Анизотермическая диаграмма превращения аустенита (схема)